Oczyszczanie i odzyskiwanie rozpuszczalników węglowodorowych z farmaceutycznych ścieków przemysłowych

MPPE (Macro Porous Polymer Extraction - ekstrakcja na makroporowatym granulowanym złożu polimerowym) to technologia Veolia Water Technologies służąca do usuwania węglowodorów ze ścieków przemysłu farmaceutycznego.

Dla specjalistów ds. BHP przemysłowe oczyszczalnie ścieków (WWTP) w sektorze farmaceutycznym są obecnie coraz częściej postrzegane jako źródło mediów użytkowych i produktów ubocznych. Przestają być jedynie instalacjami końcowymi („end-of-pipe”) do oczyszczania odpadów produkcyjnych przed ich utylizacją, wymagającymi uwagi wyłącznie w kontekście konserwacji i spełnienia norm zrzutowych. Ścieki farmaceutyczne są złożone i różnorodne — różnią się w zależności od rodzaju produkcji, zarówno pod względem ilości i częstotliwości powstawania (mogą być generowane w sposób ciągły lub w partiach), jak i składu (mniej lub bardziej podatne na degradację). Coraz częściej przeprowadza się również audyty samej oczyszczalni, aby zidentyfikować źródła toksyczności i określić, które jej sekcje wymagają interwencji w celu poprawy efektywności istniejącego procesu oczyszczania. Uzupełnieniem takich działań są testy laboratoryjne na próbkach złożonych lub na małych instalacjach pilotażowych, które pozwalają sprawdzić, czy zaprojektowany ciąg technologiczny jest najbardziej optymalny i efektywny.

Na przykład, w przypadku toksyczności ścieków spowodowanej obecnością określonych związków – takich jak pozostałości substancji czynnych (API) czy rozpuszczalników stosowanych w produkcji i syntezie – operatorzy zakładów nieustannie poszukują rozwiązań technologicznych, które pozwolą zmodernizować istniejącą infrastrukturę. Celem jest uniknięcie przekroczeń dopuszczalnych norm, odzysk wody oraz zmniejszenie zużycia wody ze studni głębinowych lub sieci wodociągowej. Oczywistym ograniczeniem są często niewielkie dostępne przestrzenie oraz konieczność redukcji zużycia energii – najlepiej poniżej obecnych poziomów.

Obecność węglowodorów w procesach produkcyjnych zależy od specyfiki technologii, jednak ich użycie jest szczególnie powszechne w laboratoriach badawczo-rozwojowych, w biotechnologii oraz przy produkcji API metodą syntezy chemicznej. W przemyśle farmaceutycznym stosuje się regularnie ponad 30 różnych rozpuszczalników, w tym rozpuszczalniki chlorowane, takie jak dichlorometan stosowany do ekstrakcji witamin i antybiotyków, etanol i metanol, rozpuszczalniki polarne, takie jak aceton, IPA (izopropanol) w jakości GMP – używany przy produkcji form doustnych, w środkach dezynfekujących oraz preparatach do pielęgnacji skóry, a także związki aromatyczne z grupy BTEX, takie jak toluen. W przypadku toluenu technologia MPPE (Macro Porous Polymer Extraction) osiąga skuteczność usuwania na poziomie 99,9%, co potwierdzają działające instalacje. Limity emisji tych substancji są bardzo restrykcyjne, a w przyszłości można spodziewać się jeszcze większej kontroli. Z perspektywy celów i zasad zrównoważonego rozwoju, węglowodory są jednymi z kluczowych zanieczyszczeń w ściekach, którym należy poświęcić szczególną uwagę.

Jako rozwiązanie do oczyszczania ścieków zawierających węglowodory najczęściej rozważa się destylację kolumnową, jednak prowadzi ona do instalacji o wysokich kosztach operacyjnych (OpEx) ze względu na duże zużycie energii. Dodatkowo kolumny wymagają okresowego czyszczenia, co zakłóca ciągłość pracy systemu. Powstaje więc potrzeba wdrażania alternatywnych rozwiązań - bardziej efektywnych i zrównoważonych.

MPPE i proces ekstrakcji

Technologia ekstrakcji na makroporowatym złożu polimerowym (MPPE) firmy Veolia Water Technologies to wysoce efektywne rozwiązanie do usuwania rozpuszczonych i rozproszonych węglowodorów ze ścieków. Jest to proces zautomatyzowany, wymagający minimalnych zasobów operacyjnych, nie używa środków chemicznych i nie generuje szlamu, ani gazów odpadowych. Składa się z cieczy o dużym stopniu pokrewieństwa do węglowodorów, osadzonej w złożu porowatych kulek polimerowych. Gdy ścieki przepływają przez to złoże, węglowodory migrują z fazy wodnej do cieczy ekstrakcyjnej. Oczyszczona woda może być następnie poddana dalszemu oczyszczaniu, ponownie wykorzystana lub odprowadzona do środowiska.

Gdy ciecz ekstrakcyjna osiąga stan nasycenia węglowodorami, jest okresowo regenerowana poprzez podgrzewanie parą wodną pod niskim ciśnieniem (112°C). Węglowodory zawarte w cieczy ekstrakcyjnej są następnie skraplane i usuwane w fazie ciekłej w separatorze. Prawie 100% węglowodorów zostaje usuniętych. Instalacja składa się z dwóch kolumn procesowych MPPE, co zapewnia równoczesną i ciągłą pracę między ekstrakcją a regeneracją. Podczas regeneracji jednej kolumny, przepływ ścieków jest kierowany do drugiego złoża ekstrakcyjnego, co gwarantuje nieprzerwaną ciągłość procesu oczyszczania.

W technologii ekstrakcji MPPE możliwe jest również kontrolowanie efektywności usuwania, poprzez zmianę ilości medium filtracyjnego w kolumnach.

Dla związków polarnych, takich jak aceton, IPA, MEK, MTBE, THF czy fenole, stosuje się bardziej specyficzny typ medium filtracyjnego, zachowując jednak ten sam zasadniczy mechanizm działania. Pozwala to na usuwanie szerszego zakresu węglowodorów.

Kluczowe czynniki dla zastosowań MPPE

Czynnikiem sukcesu technologii MPPE jest usuwanie najbardziej złożonych substancji ze ścieków przemysłowych, w tym substancji szczególnie toksycznych, które nie są usuwane w konwencjonalnych sekcjach oczyszczania biologicznego. Usunięcie tych substancji umożliwia dalsze oczyszczanie biologiczne lub inne etapy oczyszczania, które pozwalają na ponowne wykorzystanie wody w zakładzie. Dodatkowo, usuwanie i koncentracja najbardziej toksycznych substancji, nawet w stosunku 1 do 200, znacząco obniża koszty utylizacji oraz zewnętrznego oczyszczania.

Jeśli chodzi o zużycie energii, instalacja MPPE zużywa jedynie 10–20% energii potrzebnej w konwencjonalnym systemie destylacji. Poniżej przyjrzyjmy się dalszym zaletom tej technologii.

Chociaż technologia MPPE jest zazwyczaj stosowana do usuwania śladowych ilości rozpuszczalników węglowodorowych, dzięki swojej wysokiej efektywności odzysku może być również wykorzystywana do ekstrakcji innych wartościowych związków ze ścieków, które — po dalszym oczyszczeniu — mogą zostać ponownie wykorzystane w procesach farmaceutycznych. Zdarzały się przypadki, w których odzyskane rozpuszczalniki były ponownie wykorzystywane w takiej formie, w jakiej zostały wyekstrahowane bezpośrednio z instalacji MPPE.

Są jednak także inne aspekty warte uwagi. Kolumny destylacyjne mogą ulegać osadzaniu się zanieczyszczeń, a gdy do tego dochodzi, konieczne jest ich czyszczenie przy użyciu rozpuszczalników. W takim przypadku kolumna musi zostać wyłączona z eksploatacji, co wiąże się ze spadkiem efektywności procesu — czego nie obserwuje się w technologii MPPE.

Jako dogłębne studium przypadku, na życzenie możemy przedstawić przykład instalacji z regionu skandynawskiego, gdzie w oczyszczalni ścieków przemysłu farmaceutycznego wykorzystywano konwencjonalną kolumnę destylacyjną. Proces oczyszczania ścieków był tam często przerywany z powodu powstawania zanieczyszczeń (foulingu) w kolumnach destylacyjnych. Dodatkowo zużycie energii było bardzo wysokie, a firma poszukiwała bardziej efektywnych rozwiązań. W fazie rozbudowy instalacji wzięto pod uwagę technologię MPPE firmy Veolia Water Technologies. Dzięki pilotażowym testom laboratoryjnym, prowadzonym z udziałem klienta, Veolia Water Technologies udowodniła, że technologia MPPE umożliwia poprawę efektywności procesowej oraz znaczną oszczędność energii. Nowa instalacja została zrealizowana w formie modułowego rozwiązania kontenerowego, co pozwoliło znacząco ograniczyć zapotrzebowanie na przestrzeń w sąsiedztwie parku zbiorników.

Odzyskiwanie węglowodorów

Technologia MPPE to nie tylko energooszczędne rozwiązanie do usuwania pozostałości węglowodorów ze ścieków przemysłu farmaceutycznego. Jej wysoka efektywność idzie w parze ze zdolnością do usuwania niemal 100% rozpuszczalników węglowodorowych powszechnie stosowanych w tym sektorze. Oczyszczona woda może być następnie kierowana do dalszych etapów uzdatniania, w których często wymagany jest bardzo niski poziom zawartości węglowodorów.

Dzięki temu technologia MPPE wspiera firmy farmaceutyczne w osiąganiu znacznych oszczędności w zużyciu wody procesowej, a także umożliwia odzysk surowców, takich jak rozpuszczalniki, czy nawet wartościowych produktów obecnych w strumieniu ścieków. Często wystarczy skutecznie usunąć jeden kluczowy zanieczyszczający składnik, aby znacząco rozwiązać problem związany z gospodarką ściekową w zakładzie farmaceutycznym.

Ostatecznie, proces MPPE pozwala przedsiębiorstwom farmaceutycznym na zapewnienie ciągłości operacyjnej, gwarantując zgodność procesów i inwestycji z przepisami ochrony środowiska — zarówno obecnie, jak i w przyszłości.

Chcesz dowiedzieć się więcej o naszych rozwiązaniach w zakresie oczyszczania ścieków farmaceutycznych?